Hodnota U_BR je závislá na koncentráciách N_D a N_A, čo poukazuje obr.1.5. Pri zvyšovaní teploty sa rozkmit atómov mriežky od uzlových polôh zväčšuje a zároveň rastie aj pravdepodobnosť rozptylu elektrónov na atómoch a stredná voľná dráha klesá. Energie potrebnú pre nárazovú ionizáciu musia elektróny a diery získavať na kratšej dráhe ,ale nato potrebujú vyššie urýchľovacie napätie (U_BR rastie s teplotou). Teplotný koeficient je kladný, pretože existencia U_BR priamo súvisí s lavínovým javom.[1.4],[1.5],[1.6]

1.1.6Tunelový jav

V klasickej fyzike nie je možné z principiálneho hľadiska, aby častice s kinetickou energiou nižšou ako je výška potenciálovej bariéry túto bariéru prekonala - dokážu sa jedine od nej odraziť. Je však rozdiel, ak hovoríme o kvantovej mechanike. Častica má aj napriek tomu ,že má energiu nedostatočne veľkú na prechod cez bariéru, má určitú pravdepodobnosť na jej prekonanie. Naopak, častice s energiou väčšou ako je výška bariéry túto bariéru obecne prekonať nemusí. Tento jav sa nazýva tunelový jav. Vzniká pri koncentráciách N_D a N_A ,ktoré sú rádovo okolo hodnôt 10²⁴m^-3a viac, čo znamená, že P-N prechod je veľmi úzky. Ak máme diódu polarizovaná v závernom smere je bariérou šírka zakázaného pásma. Cez ňu môžu prechádzať valenčné elektróny z valenčného pásma polovodiča P na voľné energetické hladiny vo vodivostnom pásme polovodiča N - dochádza ku generovaniu párov elektrón -diera (obr.1.7),čo spôsobuje zvýšenie záverného prúdu. Keďže šírka zakázaného pásma klesá s rastúcou teplotou, je teplotný koeficient Zenerovho napätia záporný.

Obr.1.7 Generovanie páru elektrón -diera pri nárazovej ionizácii a pri tunelovom jave.

Je však rozdiel, ak hovoríme o kvantovej mechanike. Častica má aj napriek tomu ,že má energiu nedostatočne veľkú na prechod cez bariéru, má určitú pravdepodobnosť na jej prekonanie. Naopak, častice s energiou väčšou ako je výška bariéry túto bariéru obecne prekonať nemusí. Tento jav sa nazýva tunelový jav. Vzniká pri koncentráciách N_D a N_A ,ktoré sú rádovo okolo hodnôt 10²⁴m^-3 a viac, čo znamená, že P-N prechod je veľmi úzky. Ak máme diódu polarizovaná v závernom smere je bariérou šírka zakázaného pásma. Cez ňu môžu prechádzať valenčné elektróny z valenčného pásma polovodiča P na voľné energetické hladiny vo vodivostnom pásme polovodiča N - dochádza ku generovaniu párov elektrón -diera (obr.1.7),čo spôsobuje zvýšenie záverného prúdu. Keďže šírka zakázaného pásma klesá s rastúcou teplotou, je teplotný koeficient Zenerovho napätia záporný.[1.4],[1.5],[1.6]

1.1.7 Parametre diód

Pri určitom napätí dochádza na V-A charakteristike ku kolmému zvýšeniu prúdu v oboch smeroch. Toto napätie nazývané prahovým je dané podľa použitého polovodiča (obr.1.8).

Obr.1.8 Pri dodržaní hraničných parametrov nedôjde k poruche diódy

Nárast prúdu spôsobuje výkonovú stratu, ktorá sa mení na teplo. Aby nedošlo k tepelnému preťaženiu, sú pre každú diódu výrobcom stanovené hraničné parametre:

- I_FAV (Forward AVerage) - maximálna povolená stredná hodnota prúdu

- I_FSM (Forward Surge Maximum) - maximálny povolený impulzný (nárazový) prúd

- U_RRM(Reverse Repetitive Maximum) - maximálne opakovateľné záverné napätie

- U_RSM (Reverse Surge Maximum) - maximálne neopakovateľné záverné napätie

Schopnosť odvádzať teplo z akejkoľvek súčiastky je daná púzdrom. Okrem hraničných parametrov zaručujúcich bezporuchový stav sa udávajú ešte aj parametre, ktoré zaručujú užitočné vlastnosti diód. Nazývajú sa charakteristické parametre:

- doba záverného zotavenia t_rr (Reverse Recovery) - túto dobu zobrazuje obr.1.9

Obr.1.9 Dióda sa stáva nevodivou až po uplynutí doby záverného zotavenia

Čím väčší je prúd diódy v priepustnom smere I_F pred komutáciou, tým väčší je náboj záverného zotavenia Q _rr a tým dlhší je čas t_rr .

- doba priepustného zotavenia t_fr (Forward Recovery) - táto doba je nezanedbateľná (μs) u výkonových diód (obr.1.10).

Obr.1.10 Proces priepustného zotavenia pri spínaní výkonovej diódy.

Parametre t_fra t_rr charakterizujú rýchlosť diódy pre aplikácie veľkých signálov. Pre prípad malých signálov charakterizujeme diódu pomocou impedancie skladajúcej sa z paralelnej kombinácie diferenciálneho odporu a kapacity diódy . Hodnota diferenciálneho odporu je daná z V-A charakteristiky v pracovnom bode. Pre hodnotu kapacity diódy je potrebné rozlišovať medzi priepustným a záverným smerom (obr.1.11).
[1.4],[1.5],[1.6],[1.3]

Obr.1.11 Bariérová (difúzna) kapacita diódy v oboch smeroch.

1.1.8 Typy diód

Usmerňovacie diódy
- využíva ventilového účinku P-N prechodu k usmerňovaniu striedavých prúdov (do desiatok kHz)
- N_D = N_A < 10²⁵m^-3 (obr.1.14)
- pomocou zmeny rozmerov diódy môžeme spracovať veľké výkony
- technologickými postupmi pri výrobe sú difúzia a iontová implementácia
- nevýhodou je dlhá doba t_rr
- dióda P-i-N predstavuje veľmi rozšírené konštrukčné usporiadanie (obr.1.12). P-i-N dióda je v priepustnom smere zaplavovaná nábojom v smere od anódy aj katódy ,preto je na nej malý úbytok napätia aj pri veľkej šírke oblasti N potrebné pre dosiahnutie veľkého napätia U_BR.

Obr.1.12 P-i-N dióda.

Vysokofrekvenčné alebo signálové diódy
- nemôžu spracovať veľké výkony, pretože parazitná kapacita diódy je úmerná jej ploche
- pre oblasti od stoviek MHz sa používajú hrotové diódy, u ktorých je P-N prechod tvorený prúdovým impulzom v oblasti bodového kontaktu

Zenerová dióda
- využíva koleno na závernej V-A charakteristike pre stabilizáciu napätia
- N_D = N_A≈10²⁵m^-3(obr.1.14)
- vyrábajú sa diódy s odstupňovaným U_Z v rozsahu 2 až 400V a so stratovým výkonom od 100mW do jednotiek W
- potrebný malý sériový odpor dosiahneme veľkým prierezom prívodov
- stabilizácia by mala byť teplotne nezávislá ,preto je dôležitý teplotný koeficient U_Z (obr.1.13)

Obr.1.13 Teplotné koeficienty U_Z Zenerovej diódy

Varikap
- využíva bariérovú kapacitu a jej zmenu s priloženým záverným napätím
- ak je malá amplitúda napätia vf signálu, tak zmena kapacity je malá a prakticky lineárna
- hodnota kapacity je nastavená dobre stabilizovaným jednosmerným napätím
- používa sa na dolaďovanie rezonančných obvodov v rozhlasových a televíznych prijímačoch
- sériový odpor má hodnoty desatín Ω až 1Ω

Varistor
- ak je amplitúda napätia vf signálu, tak sa kapacita mení výrazne a chová sa ako nelineárny kapacitor so vznikom vyšších harmonických
- použitie v násobičoch frekvencie až do rádu GHz

Tunelová dióda
- uplatnenie tunelového javu
- N_D = N_A >> 10²⁵m^-3( (obr.1.14)
- vznik záporného diferenciálneho odporu, ktorý spôsobuje elektrickú nestabilitu využívajúcu na generovanie harmonického signálu v oscilátoroch
- v praxi sa však s tunelovou diódou nestretneme
[1.4],[1.5],[1.6]

Obr.1.14 Závislosť prierazného a prahového napätia od rastúcej dotácie N_D a N_A.

1.2 Diódy s prechodom kov- polovodič

Na obr.1.15 sú uvedené ideálne pásové modely kovu a polovodiča typu N, ktoré sú od seba oddelené hladinou vákua (referenčná hladina). Ak chceme, aby došlo ku uvoľneniu elektrónu z kovu do vákua musíme mu dodať výstupnú prácu e.Φ_m. Je to práca definovaná ako rozdiel energie hladiny vákua a Fermiho hladiny. Rovnakým spôsobom dostanme výstupnú prácu polovodiča e.Φ_s. Dôležitým parametrom je aj elektronová afinita e.χ, ktorá je definovaná ako energetickým rozdielom medzi dnom vodivostného pásma W_C a hladinou vákua a udáva veľkosť afinity elektrónu k atómu. Tieto parametre závisia od materiálu (tab.1.1).Reálne je kov v priamom styku polovodičom. [1.4],[1.1],[1.5]

Tabuľka 1.1 Výstupná práca e.Φ_m a elektrónová afinita e.χ niektorých materiálov






Obr.1.15 Ideálny pásmový model kovu a polovodiča oddelených vákuom.

1.2.1 Priepustný smer

Priložením kladného napätia U_ext na kov vzhľadom k polovodiču je prechod polarizovaný v priepustnom smere (obr.1.16) môže ním tiecť veľký priepustný prúd I_F tvorený elektrónmi z vodivostného pásma. Kov sa chová ako anóda a polovodič typu N sa chová ako katóda. Pomer koncentrácie dier a elektrónov v polovodiči p_N /n_N je väčšinou veľmi malý a prúd minoritných dier nie je nutné brať v úvahu.[1.3],[1.1],[1.4]

Obr.1.16 Priepustný a záverný smer ideálneho prechodu kov -polovodič N

1.2.2 Záverný smer

Priložením záporného napätia U_ext na kov vzhľadom k polovodiču je prechod polarizovaný v závernom smere (obr.1.16) a tečie ním len veľmi malý prúd, oproti priepustnému smeru zanedbateľný záverný prúd I_R. Existenciou potenciálovej bariéry vzniká na prechode schopnosť usmerňovať prúd. Podľa W. Schottkyho sa nazýva táto bariéra ako Schottkyho bariéra a súčiastka využívajúca túto schopnosť sa nazýva Schottkyho dióda.[1.3],[1.1],[1.4]

1.2.3 Volt- ampérová charakteristika ideálneho prechodu kov- polovodič

Sčítaním prúdových hustôt elektrónov tečúcich z polovodiča do kovu a naopak získavame V- A charakteristiku ideálneho prechodu kov- polovodič N. Výsledkom odvodenia je závislosť

, (1.3)

kde A^* je efektívna Richardsonova konštanta, ktorú možno vyjadriť A* = 4π.e.m_n.k²/h³. Tu je mn efektívna hmotnosť elektrónu, k je Boltzmannova konštanta k = 1,38.10_-23 J/K a h = 6,62.10^-34 J.s je Planckova konštanta. Vynásobením rovnice (1.3) plochou prechodu S, dostaneme závislosť prúdu od napätia ideálneho prechodu kov- polovodič

, (1.4)

Hlavný rozdiel vo V- A charakteristikách medzi P-N prechodom a Schottkyho diódou je spôsobený tým, že pri P-N prechode je vznik priepustného prúdu určený injekciou minoritných nosičov cez bariéru a pri Schottkyho dióde naopak emisiou majoritných nosičov cez bariéru. Vzniká tu kvalitatívny aj kvantitatívny rozdiel vo výraze I₀ (obr.1.17).[1.4]

Obr.1.17 V-A charakteristika ideálnej Schottkyho diódy sa líši od diódy s P-N prechodom.

1.2.4 Vlastnosti a parametre diód s prechodom kov- polovodič

Zásadné vplyvy, ktoré sa nenachádzajú u P- N prechodu, je existencia nežiadúcich nečistôt na rozhraní kov- polovodič, tzv.povrchové stavy , a znižovanie energetickej bariéry e.Φ_Bn s rastúcim elektrickým poľom prechodu, tzv. Schottkyho jav.
Konštrukcia typickej Schottkyho diódy v jednorozmernom zjednodušení poukazuje obr.1.18. Východzia doštička má veľkú vodivosť (N⁺), aby nespôsobovala veľký sériový odpor a tvorila dobrý ohmický kontakt pre vývod katódy. Na tejto doštičke je vytvorená epitaxná vrstva rovnakej veľkosti, ale o niekoľko rádov nižšiu dotáciu, aby došlo k vytvoreniu usmerňujúceho kontaktu. Čím je hrúbka tejto vrstvy väčšia, tým väčšie je prierazné napätie, ale tiež sériový odpor.
Definície hraničných parametrov Schottkyho diód sú zhodné definíciami diód s P-N prechodom. Zotavovacie doby t_fra t_rr u Schottkyho diód neexistujú.[1.4],[1.5],[1.6]

Obr.1.18 Schottkyho dióda jednorozmerne.

---

Obsah>>>